異常活躍地壓的微震監(jiān)測預警研究

冷修寧，黃英華

(1.江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責任公司， 江西 九江市 332400；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

1 工程背景

香爐山鎢礦在1994 年至2009 年一直采用全面采礦法對礦體進行開采，由于歷史原因，形成了不規(guī)則采空區(qū)，據(jù)統(tǒng)計采空區(qū)體積達290 萬m3、分布范圍長800 m、寬600 m，高5～40 m，頂板累計暴露面積達25 萬m2，體積巨大、形狀復雜、相互連通、部分相互堆疊，形成400 多個形狀尺寸不規(guī)則的礦柱，礦柱數(shù)量及其復雜程度為國內(nèi)外罕見[1?3]，另外該礦空區(qū)上方存在重要的宗教建筑物等保護設(shè)施，屬于典型的“三下開采”。自2013 年起，礦山采用膠結(jié)充填對東部殘采區(qū)與西部規(guī)則采區(qū)的采空區(qū)進行充填治理?；夭蓶|部殘礦資源對香爐山鎢礦有重要的意義，但是礦山繼續(xù)開采會面臨嚴重的地壓災害問題：局部區(qū)域礦柱片幫垮塌、頂板冒頂；大范圍的應力轉(zhuǎn)移集中與整體地壓；多米諾骨牌效應的大范圍礦柱垮塌；井下開采可能導致地表重要宗教建筑物破壞；采空區(qū)的治理問題[4]。為了保證礦山能夠繼續(xù)生產(chǎn)，針對礦山存在的實際地壓問題，于2010 年8 月份建成投入使用48 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，先后于2011 年8 月和2013 年6 月將多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)通道總數(shù)從48 通道擴充到60 通道與84 通道[5?7]，擴大應用于東部殘采區(qū)0-14 勘探線區(qū)域與該礦西部采區(qū)的16-20 勘探線區(qū)域，微震傳感器類型為單軸加速度型，工作頻率為50～5000 Hz[8]。

2 頂板冒頂區(qū)域的工程地質(zhì)[9?11]

香爐山背斜是礦區(qū)的基礎(chǔ)構(gòu)造，呈北東向橫貫礦區(qū)，在成巖成礦過程中起著主導作用，控制著礦床賦存形態(tài)，導致巖體、礦床形態(tài)與背斜構(gòu)造高度協(xié)調(diào)。香爐山背斜屬寬緩型傾伏背斜，傾伏角為10°～25°，兩翼巖層傾角為10°～35°，南翼略陡，核部產(chǎn)狀近乎水平，傾角小于10°。斷裂對礦床的影響不大。礦區(qū)地層由震旦系上統(tǒng)陡山沱組和燈影組、寒武系下統(tǒng)王音鋪組和觀音堂組、寒武系中統(tǒng)楊柳崗組、寒武系上統(tǒng)華嚴寺組以及第四系組成。礦區(qū)地層整合接觸，均遭受熱液變質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻菐r及角巖化巖石。

香爐山鎢礦礦體埋深為40～300 m，礦體賦存于山坡中上部，礦體似層狀，緩傾斜，礦體產(chǎn)狀與香爐山背斜一致，軸部傾伏角為10°～25°，北西翼平均傾角為7°，南東翼平均傾角為38°。礦體沿走向長1250 m，傾斜長576 m，礦體厚2.6～45.6 m，平均品位為0.705%。礦體形態(tài)較簡單、礦巖界限清晰。直接頂板為灰?guī)r，局部有炭質(zhì)泥巖，礦體為角巖，底板為花崗巖，礦巖均堅硬致密完整[12]。礦區(qū)內(nèi)無湖、河等地表水體，礦床主要充水來源為大氣降水，礦體及圍巖的含水性弱，巖溶不發(fā)育，礦床水文地質(zhì)條件簡單，開采工程技術(shù)條件非常好。

礦體及其圍巖的強度較高，見表1。通過節(jié)理裂隙調(diào)查，獲得了礦體開采區(qū)域內(nèi)的節(jié)理裂隙發(fā)育特征，灰?guī)r的體積裂隙數(shù)稍大，為10.5～12.0 條/m3，礦體和花崗巖的體積裂隙數(shù)都較小，一般小于8.0條/m3。炭質(zhì)頁巖節(jié)理裂隙發(fā)育，體積裂隙數(shù)達13.5條/m3，全部為弱裂隙性巖體[13]。大理巖和灰?guī)r的綜合巖體分級為Ⅱ級、角巖和花崗巖巖體為Ⅰ級。礦體賦存于山坡體內(nèi)，埋深淺，以上覆巖層自重應力為主。

表1 香爐山鎢礦巖石物理力學參數(shù)

本文研究的頂板冒頂異常地壓活躍區(qū)為東部殘采區(qū)597 采場，其回采現(xiàn)狀平面見圖1，典型的橫剖面見圖2。在礦山實際開采中，沒有留設(shè)護頂層，角巖礦體基本回采耗盡，將節(jié)理裂隙較為發(fā)育、完整性稍差的頂板灰?guī)r與炭質(zhì)泥巖完全揭露出來?？諈^(qū)跨度為15～25 m，空區(qū)高度為1～35 m，點柱直徑為4～20 m 不等，膠結(jié)充填體高度為1～15 m，剩余空頂高度為4～9 m。典型的空區(qū)與點柱照片見圖3。

圖1 頂板冒落區(qū)域597 采區(qū)回采現(xiàn)狀平面

圖2 597 采場典型剖面

圖3 典型空區(qū)與點柱

3 地壓異?；钴S期的微震監(jiān)測預警

在2018 年9 月22 日至10 月30 日近一個月的時間內(nèi)，井下產(chǎn)生了多達32 次的微震定位事件，分布在東部殘采區(qū)與西部正規(guī)采區(qū)。一些微震定位事件中有明顯的地壓顯現(xiàn)，如礦柱開裂、片幫、頂板冒落等，另一些微震定位事件中則沒有明顯的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，甚至微震定位事件發(fā)生前附近的微震傳感器也沒有接收到明顯增多的單通道觸發(fā)事件。上述微震定位事件及其對應的預警案例具體見表2。多年的微震監(jiān)測實踐經(jīng)驗表明，香爐山鎢礦采區(qū)內(nèi)產(chǎn)生微震定位事件或較多的出現(xiàn)微震定位事件時，在這些區(qū)域內(nèi)有應力調(diào)整（重分布）導致的地壓增大、片冒增多，甚至產(chǎn)生局部較大的地壓顯現(xiàn)。

表2 微震監(jiān)測預警案例

表2 預警案例中，2018 年10 月27 日凌晨發(fā)生在東部殘采區(qū)597 采場的頂板冒頂最為劇烈，在不到3 h 的時間內(nèi)，微震監(jiān)測系統(tǒng)共監(jiān)測與定位處理17 個微震定位事件，其定位結(jié)果見圖4，頂板冒落后的現(xiàn)場勘察所拍攝的照片見圖5，監(jiān)測到的典型微震波形見圖6 與圖7。本次597 采場劇烈地壓活躍事件中，微震定位事件率達到了17 個/天，而在2018 年度及歷史其他時期內(nèi)，每天的微震定位事件率基本在1～2 個/天的水平，顯示了這次頂板冒落的劇烈程度。待微震定位事件趨于平穩(wěn)后，礦山組織技術(shù)管理人員進入597 采場進行了現(xiàn)場實地勘察，發(fā)現(xiàn)頂板發(fā)生了較大規(guī)模的冒落，冒落巖體體積約100 m3，冒落面積約60～70 m2，具體見圖5。

圖4 頂板冒落期的微震定位事件位置分布

圖5 頂板冒落前后的現(xiàn)場照片

圖6 微震事件典型波形（一）

圖7 微震事件典型波形（二）

4 頂板冒頂產(chǎn)生的微震波形時頻特征分析

為了詳細深入地分析此次頂板冒落巖體破裂過程中產(chǎn)生的微震波形的時頻特征，選擇了兩個典型的微震定位事件案例進行了分析，對波形的初至到時、最大振幅幅值、初至波極性、波形主頻及定位精度等進行了詳細分析，總結(jié)一些頂板冒落所激發(fā)的微震信號特征，為有效信號辨識、監(jiān)測預警及機制機理分析提供有效數(shù)據(jù)。

4.1 案例1

2018 年10 月27 日01 時52 分45 秒，597 采場發(fā)生微震定位事件，16#、20#、29#、30#、40#、42#和35#共7 個傳感器參與了定位，系統(tǒng)自動拾取P 波計算得到的定位誤差僅有8 m，而且微震事件發(fā)生在20#傳感器附近。該微震定位事件在各傳感器上的參數(shù)見表3，監(jiān)測波形的振幅值分布在9～4097 mV，各傳感器振幅值與震源震級、傳播路徑及傳播距離相關(guān)；初至波極性表示起跳點的方向是向上或向下，與地震波傳播方向和傳感器的取向有關(guān)，各傳感器的初至波極性正負值都有。參與定位的傳感器接收到的波形清晰，均為P 波特性的波形。

表3 案例1 的各微震通道監(jiān)測波形時頻參數(shù)統(tǒng)計表

各傳感器監(jiān)測波形的主頻，各波形的P 波頻率都在1000 Hz 以上，最大的達到了2000 Hz，所有傳感器接收到的波形頻率都較高。由于頻率較高，波長約為3～5 m，傳播輻射能力較弱，是巖體破裂發(fā)生的典型頻率范圍，另外，通過震相分析，僅有較為單純的體波P 波，這與頂板冒落的事實相符：單純的拉伸破壞僅產(chǎn)生體波P 波，而沒有剪切波成分，由此可以綜合推斷，這是一起典型的巖體拉伸破裂事件。

4.2 案例2

2018 年10 月27 日3 時06 分26 秒，597 采場發(fā)生微震定位事件，共有18 個傳感器接收到微震信號并參與了定位，主要傳感器為24#、23#、9#、10#、27#、84#、27#、57#、60#和68#等。該微震定位事件在各傳感器上的參數(shù)見表4，監(jiān)測波形的振幅值分布在18～87 mV。

表4 案例2 的各微震通道監(jiān)測波形時頻參數(shù)統(tǒng)計表

各傳感器監(jiān)測波形見圖7，其波形主頻一般在100 多Hz，最大303 Hz，由于頻率較低，波長較長，約為25 m，所以具有較強的傳播能力，使得較大范圍內(nèi)較多的傳感器都能接收到震源往外輻射的地震波。所有傳感器接收到的波形頻率很低，已經(jīng)不可能是較小尺度巖體破裂釋放的地震波的頻率范圍，可以據(jù)此明確推斷此次事件是因為頂板冒落下來的巖塊撞擊底板產(chǎn)生的沖擊震動，這與現(xiàn)場的實際地壓顯現(xiàn)是吻合的。

在定位精度方面，微震監(jiān)測系統(tǒng)自動處理給出的理論定位誤差達到143 m，顯然誤差較大，通過人工重新處理、重新選擇參與定位的傳感器及其初至到時，其理論定位誤差縮小到41 m。

5 結(jié)論

（1）本次地壓活躍期在礦山的微震監(jiān)測歷史上是少見的，近一個月時間內(nèi)發(fā)生了32 次微震定位事件，而594 采場的頂板冒落劇烈、地壓顯現(xiàn)事件更是產(chǎn)生了17 次/3 h 的微震峰值，遠遠高于設(shè)定的預警值1 次/d 的水平，相比而言，2012 年6 月份的大面積冒落也是發(fā)生在雨季，監(jiān)測到的微震定位事件僅為2 個。本次地壓活躍期、特別是頂板冒落異?；钴S期，通過微震定位事件發(fā)生頻度，進行了有效的監(jiān)測預警。

（2）從本次地壓活躍期的微震定位事件震源分布的結(jié)果來看，整體上震源點的分布范圍遍及整個東西部采區(qū)，各震源集聚點較為分散，絕大部分微震定位事件發(fā)生在正在開采的采場范圍內(nèi)，空間分布還不能斷定不同震源點之間有內(nèi)在的地壓聯(lián)系，目前來看各震源集聚點相互之間是獨立的，僅在時間上集聚，在空間上沒有形成惡化整體礦山地壓的趨勢。

（3）頂板冒落的異常地壓活躍期內(nèi)，頂板巖體拉伸破裂的波形時頻特征：頻率在1000～2000 Hz，地震波傳播距離較近，僅能觸發(fā)周邊6～7 個傳感器，最大振幅值在9～4097 mV，波形震相以體波P 波為主；頂板冒落下的巖石在底板產(chǎn)生的沖擊震動波形的時頻特征：頻率在100～300 Hz，地震波傳播距離較遠，僅能觸發(fā)周邊12 個以上傳感器，最大振幅值在18～87 mV 之間。上述典型波形的時頻特征可以為今后有效信號辨識、監(jiān)測預警及機制機理分析提供有效數(shù)據(jù)。